(武汉大学大地测量学课件)第二章 坐标系统与时间系统
第二章 坐标系统与时间系统讲义
第二章坐标系统和时间系统卫星绕地球的转动和地球自转无关，观测站固定在地球表面，其空间位置随同的地球的自转而运动，我们要研究卫星的轨道坐标系与地面点所在坐标系之间的相互关系，实现坐标系之间的转换。
空间直角坐标系、地球坐标系，描述地面点的空间位置，以地球质心为原点建立的坐标系，随地球同步自转。
天球坐标系：与地球自转无关，主要描述人造地球卫星的位置。
2.1 天球坐标系与地球坐标系空间直角坐标系便于进行坐标转换，参数为三个轴的投影，定义空间直角坐标系必须明确：①原点位置；②三个坐标轴的指向；③长度单位；空间点和参数值必须一一对应，不同坐标系之间必须有唯一的转换关系。
不同的坐标系之间通过平移、旋转、尺度转换进行变换。
2.1.1 天球坐标系天球是指以地球质心为中心，半径无穷大的理想球体。
天文学中通常把天体投影到天球的球面上，并在天球面上研究天体的位置，运动规律和天体间的相互作用。
球面坐标系与直角坐标系：2.1.2 地球坐标系在大地测量中，常用大地坐标系（通过一个参考椭球面来定义）描述地面点的位置。
大地坐标系（B，L，H）与空间直角坐标系（X,Y,Z）关系。
大地纬度B含义大地经度L含义大地高程H两者间转换关系地心坐标系和参心坐标系：参心坐标系（reference-ellipsoid-centric coordinate system）是以参考椭球的几何中心为原点的大地坐标系。
通常分为：参心空间直角坐标系（以X，Y，Z为其坐标元素）和参心大地坐标系（以B，L，H为其坐标元素）。
参心坐标系是在参考椭球内建立的O-XYZ坐标系。
原点O为参考椭球的几何中心，X轴与赤道面和首子午面的交线重合，向东为正。
Z轴与旋转椭球的短轴重合，向北为正。
Y轴与XZ平面垂直构成右手系。
“参心”意指参考椭球的中心。
在测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，通常须选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点（大地原点），利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。
大地测量学第2章
原子时（AT）
原子时：是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的基本单位是原子时 秒，定义为：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃 迁辐射9192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的 时间单位。
根据原子时秒的定义，任何原子钟在确定起始历元后，都可以提供 原子时。由各实验室用足够精确的原子钟导出的原子时称为地方原子时。
高程参考系统
以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的 高程系统称为正常高的高程系统。 正常高H正常及正高H正与大地高有如下关系：
H＝H正常＋ H＝H正＋N 式中： ——高程异常，N——大地水准面差距。
大地水准面相对于旋转椭球面的起伏
大地测量参考框架（Geodetic Reference Frame)
大地测量参考系统(Geodetic Reference System)
坐标参考系统：分为天球坐标系和地球坐标系。
天球坐标系:用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
地球坐标系:用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体 建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式
大地坐标系
空间直角坐标
TAI－GPST=19(s) GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。
2.3 坐标系统
基本概念
1.大地基准
所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是 指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭球的长短半轴），以及参考 椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。
2. 天球
天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点称为天极（ 为北天极 为南天极）。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心 与天轴垂直的平面，称为天球赤道面，它与天球 ｛相交的大圆，称为天球赤道。 天球子午面与子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为天球子午面，它与天 球相交的大圆，称为天球子午圈。 时圈：通过天球的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，黄道面与赤道面的夹角 ，称为黄赤空角， 约为23.5 。 黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点 称 为北黄极，靠近南天极的交点 为南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点r。
《武大大地测量》课件
大地测量的应用领域概述
详细描述
大地测量在许多领域都有广泛的应用，如科学研究、工 程设计、军事侦察、地图绘制等。在科学研究方面，大 地测量可以用于研究地球的形状、地球重力场、地球自 转等；在工程设计方面，大地测量可以用于桥梁、隧道 、高速公路等的设计和施工；在军事侦察方面，大地测 量可以用于精确确定敌方目标的位置和距离；在地图绘 制方面，大地测量可以提供基础地理数据和信息，为地 图绘制提供可靠的依据。
测量和定位。
国家大地控制网在地理信息建设 中具有重要作用，为各种地理信 息应用提供统一的空间基准和时
间基准。
大地控制网的建设需要综合考虑 地球重力场、地球动力学、地球 物理学等多个学科领域的知识。
卫星大地测量在国家地理信息建设中的应用
1
卫星大地测量是一种高精度、高效率的测量技术 ，通过卫星轨道和信号传播等原理实现对地球表 面的精确测量。
计算机科学
随着大数据和人工智能技术的发 展，大地测量与计算机科学的交 叉融合，可以实现更高效的数据 处理、分析和可视化。
统计学
大地测量与统计学的交叉融合， 可以提供更精确的测量数据处理 和分析方法。
大地测量新技术的研发与应用
卫星导航定位技术
随着卫星导航定位技术的不断发展，其在大地测量中的应用越来 越广泛，提高了测量精度和效率。
大地测量坐标系
地理坐标系
地理坐标系是以地球表面上的点位地理位置（经度和纬度）为定义的坐标系，通 常以度为单位。地理坐标系是大地测量的基础，用于描述地球表面上的点位位置 。
大地测量坐标系
大地测量坐标系是以地球椭球上的点位位置（经度、纬度和高程）为定义的坐标 系，用于描述地球椭球上点位的大地测量参数。
回归分析
第二章 坐标系统和时间系统
地球坐标系根据描述点位方式的不同分作： 1、地球空间直角坐标系
原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴 指向格林尼治子午面与地球赤道的交点，Y轴垂 直于XOZ平面，构成右手坐标系统。 P(X，Y，Z)
2、大地坐标系统
参考椭球----参考椭球的中心与地球的质心重合，椭球的短轴与 地球自转轴重合，根据科学家测量的长半轴a和短半轴b来近似模 a b 拟地球的数学球体。
天球赤道面与天球赤道-——通过地球质心与天轴垂直的平 面，称为天球赤道面。该赤道面与天球相交的大圆，称为天 球赤道。 黄道——地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球上的 观测者所看到的，太阳绕地球运动的轨迹。 春分点——当太阳在黄道上从地球南半球向北半球运行时， 黄道与天球赤道面的交点。春分点不随地球转动。
对应于 WGS-84大地坐标系有一个WGS-84椭球，其常数 采用 IUGG第 17届大会大地测量常数的推荐值。下面给 出WGS-84椭球两个最常用的几何常数： 长半轴： 6378137± 2（m） 扁 率： 1：298.257223563
§2.3坐标系之间的变换
1.
2.
3.
坐标系的变换包括： 不同空间直角坐标系之间的转换（3参数 或7参数） 不同大地坐标系（球面坐标系）之间的转 换（5参数和9参数） 大地坐标系（B,L）转换为高斯平面坐标 (X,Y)
大地坐标系——是建立在参考椭球上，原点与地球质 建立在参考椭球 建立在参考椭球上 心重合，大地纬度B为过某地面点的椭球法线与椭球 赤道面的夹角；大地经度L为过该地面点的椭球子午 面与格林尼治子午面之间的夹角，大地高H为地面点 沿椭球法线至椭球面的距离。 地面点P的大地坐标为 (B,L,H)
对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：
大地测量学基础-第2章坐标系统与时间系统
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
黄道 赤道
πS
4、黄道
• 地球公转的轨道面(黄道面)与天 球相交的大圆称为黄道。
• 黄道面与赤道面的夹角称为黄 赤交角，约为23.5度。
5、黄极
• 通过天球中心，且垂直于黄道 面的直线与天球的交点，称为 黄极。其中靠近北天极的交点 称为北黄极（πN），靠近南天 极的交点称为南黄极（πS） 。
πN
PN
黄赤交角
（1）行星运动的轨迹是椭圆，太阳位于该椭圆的一个焦点上； （2）行星与太阳的连线在单位时间内扫过的面积相等（位置不同，速
度不同）；
（3）运动周期（旋转一圈的时间，即一恒星年）的平方与轨道长半轴的 立方之比为常数：T2 / R3 = K。
•从春分点开始再回到春 分点，经过365日5小时 48分46秒，地球沿轨道 绕太阳运转一周，称为 一回归年。
PS
πS
πN
πS
6、春分点与秋分点
• 黄道与赤道的两个交点称为春 分点和秋分点。
• 从地球上看，太阳沿黄道逆时 针运动。
• 黄道和赤道在天球上存在相距 180°的两个交点，其中太阳沿 黄道从天赤道以南向北通过天 赤道的那一点，称为春分点（3 月21日前后），与春分点相隔 180°的另一点，称为秋分点（9 月23日前后） 。
• 地球极点的变化，导致赤道面以及地面点的纬度也随之发生变化。 地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，所以，地球北极的变 动将引起坐标轴方向的变化。
第二章 坐标系统和时间系统
" sin y p " cos y p 0
• 7、了解天球坐标系建立的意义和方法；
• 8、GPS时间系统。
第二章坐标系统和时间系统 2
GPS定位所采用的坐标系与经典测量的坐标 系的特点
• GPS卫星的运行是建立在地球与卫星之间的万有引力基础 上的，而经典大地测量主要是以几何原理为基础的，因而 GPS定位中采用的地球坐标系的原点与经典大地测量坐标 系的原点不同。经典大地测量是根据本国的大地测量数据 进行参考椭球体定位，以此参考椭球体中心为原点建立坐 标系，称为参心坐标系。而GPS定位的地球坐标系原点在 地球的质量中心，称为地心坐标系。因而进行GPS测量， 常需进行地心坐标系与参心坐标系的转换。
第二章坐标系统和时间系统 27
2、平地球坐标系
• 取平地极为原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格 林尼治子午线的交点，y轴指向经度270度的方向，与xoz 构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 • 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x y z
如果月球的引力及其运行的轨道都 是固定不变的，同时忽略其它行星引力 的微小影响，那么日月引力的影响，仅 将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢 地旋转，构成一个圆锥面；这时，在天 球上，北天极的轨迹近似地构成一个以 北黄极n为中心，以黄赤交角为半径 的小圆。在这个小圆上，北天极每年西 移约为50.371"。周期大约为25800年。
一、地球坐标系 1、地球直角坐标系 • 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴 指向地球赤道面与格林尼治子午面的交点，Y轴 在赤道平面里与XOZ构成球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地 球自转轴重合。空间点位臵在该坐标系中表述为 （L，B，H）。
武汉大学大地测量学PPT课件
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国家平面大地控制网
• 甚长基线干涉测量系统(VLBI)
甚长基线干涉测量系统(VLBI)是在甚长基线 的两端(相距几千公里)，用射电望远镜，接收 银河系或银河系以外的类星体发出的无线电辐射 信号，通过信号对比，根据干涉原理，直接测定 基线长度和方向的一种空间技术。
长度的相对精度10-6，可达0.001″，由于其
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国家平面大地控制网
5.1.3 国家平面大地控制网的布设方案 1、 常规大地测量方法布设国家三角网 1）一等三角锁系布设方案
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2）二等三角锁、网布设方案
国家平面大地控制网
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3）三、四等三角网
国家平面大地控制网
插网法
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插点法
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国家平面大地控制网
3）国家高精度GPS B级网
全网由818个点组成，分布全国各地(除台湾省外)。 东部点位较密，平均站间50～70km,中部地区平均站 间100km，西部地区平均站间距150km。外业自1991 年至1995年结束，主要使用Ashtech MD 12和Trimble 4000 SSE仪器观测。经数据精处理后，点位中误差相 对于已知点在水平方向优于，高程方向优于，平均点 位中误差水平方向为，垂直方向为，基线相对精度达 到10-7
缺点：导线结构简单，没有三角网那样多的检核条件，不易发现粗差，可 靠性不高。
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国家平面大地控制网
• 三边测量及边角同测法 边角全测网的精度最高，相应工作量也
较大。在建立高精度的专用控制网(如精密的 形变监测网)或不能选择良好布设图形的地区 可采用此法而获得较高的精度。
第二讲坐标系统和时间系统 PPT
扁率相等 长半径有一增量
五、ITRF坐标框架简介
ITRF
International Terrestrial Reference Frame 国际地球参考框架 原点：在地球体系的质心 参考椭球 ：WGS—84椭球
X Di X (1 k)R( z )R( y )R( x ) X Gi
2、3 坐标系转换
2、1 天球坐标系与地球坐标系
参考椭球
椭球方程:
X2 a2
Y a
2 2
Z2 b2
1
扁率:
ab
a
第一偏心率: e
a2 b2 a2
§法截面:过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面得法线,
包含这条法线得平面。
§卯酉圈:与椭球面上某点得子午面相垂直得法截面同椭球面
相截所形成得闭合圈。如PEE ’
2、1 天球坐标系与地球坐标系
站心地平极坐标系与站心地平 直角坐标系得转换
Z
x
z
s (卫星)
A
r h
P1
y
O X
Y (x, y, z) (r, A, h )
x r cos Acos h
y
r
sin
A
cos
h
z r sin h
r x2 y2 z 2
A
arctan(
y
/
x)
h arctan(z /
C 2.0 -484.1668510- 6
7 29211510-11rad s-1
２、大地水准面高N = 大地高 H –正高H正
2、2 WGS-84坐标系与我国大地坐标系
国家大地坐标系
v 1954年北京坐标系 v 1980年国家大地坐标系
第二章坐标系统和时间系统
第二章坐标系统和时间系统
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岁差、章动：由于日、月对地球非球形部分的摄动， 地球自转轴在空间不断摆动产生两种运动。
一．天球、天球坐标系
2. 天球球面坐标系
① 坐标原点：地心M ；
S
r
M
② 赤经α：含天轴和春分点的天球子午面 与过空间点S的天球子午面之间的夹角；
③ 向径γ：原点M至空间点S的距离；
④ 赤纬δ：原点M至空间点S的连线与天球
天球赤道
赤道面之间的夹角
第二章坐标系统和时间系统
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§2.2 天球坐标系
二．岁差和章动、协议天球坐标系
第二章坐标系统和时间系统
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§2.1 基本概念
三． 常用坐标系
3. 站心坐标系
① 在描述两点间的空间关系时，有时采用一 种被称为站心坐标系的坐标系更为方便直 观。
② 分类：站心直角坐标系、站心极坐标系
③ 表示：N、E、U（短半轴N、E垂直于NU、 天顶U），或R、A、EL（极距R、方位角 A、高度角EL）
第二章坐标系统和时间系统
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§2.1 基本概念
一．地形面、大地水准面和参考椭球面
2. 大地水准面
大地水准面（Geoid） 是一个物理参考面，是地球的一个重力等位面 大地测量野外作业的基准面
第二章坐标系统和时间系统
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§2.1 基本概念
一．地形面、大地水准面和参考椭球面
3. 参考椭球面
参考椭球面（Reference Ellipsoid）
是一个几何或数学参考面，是一个与大地水准 面非常接近的旋转椭球面
地球的数学表面,大地测量成果处理的依据面
第二章坐标系统和时间系统
《武大大地测量》课件
遵循分级布设、逐级控制的原则 ，从高级到低级，从整体到局部 ，形成层次分明、结构严密的控 制系统。
大地水准面的测定
大地水准面的概念
大地水准面是指与平均海水面重合并向大陆延伸所形成的封闭曲 面，是描述地球形状的一个重要物理模型。
大地水准面测定的方法
通过大地测量和地球重力场模型相结合的方法，可以精确测定大地 水准面的位置和起伏。
合成孔径雷达干涉测量技术
该技术能够实现大面积、高精度的地表形变监测 和地形测量，尤其在地质灾害监测和城市规划等 领域具有重要应用价值。
大地测量面临的挑战与机遇
挑战
随着城市化进程的加速和基础设施建设的不 断推进，大地测量面临着越来越高的精度和 效率要求，同时还需要应对复杂地形和地貌 的测量难题。
机遇
03
大地测量的技术与方法
大地控制网的建立
大地控制网的概念
大地控制网是由一系列按一定规 律分布的控制点构成的网状图形 ，是进行大地测量和地理信息获 取的基准框架。
大地控制网的分类
根据用途和精度要求，大地控制 网可分为一、二、三、四等控制 网，不同等级的控制网有不同的 布设要求和精度标准。
大地控制网的布设
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目 录
• 绪论 • 大地测量的基本原理 • 大地测量的技术与方法 • 大地测量的应用与实践 • 大地测量的未来发展与挑战
01
绪论
大地测量的定义与任务
总结词
大地测量的定义与任务
详细描述
大地测量是一门研究地球大小、赤道、地球重力场、地球自转等问题的学科。它的主要任务是提供精确的地球参 数，为科学研究、资源开发、军事侦察等领域提供基础数据。
遥感技术的不断发展，将促进其在大 地测量中的应用，实现大范围的地形 测量、地表监测和资源调查等。
第2章 时间系统和坐标系统
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2.8 ITRS与GCRS之间的转换
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
• 赤道岁差
由于太阳、月球以及行星对地球上赤道隆起部分的作用力 矩而引起天球赤道的进动，最终导致春分点每年在黄道上 向西移动约的现象称为赤道岁差。
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岁差②
• 黄道岁差
由于行星的万有引力而导致地月系质心绕日公转平面（黄 道面）发生变化，从而导致春分点在天球赤道上每年向东 运动约的现象称为黄道岁差。
• 太阳系质心动力学时TDB
太阳系质心动力学时简称为质心动力学时。这是一种用以 解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程、编制行星星表 时所用的一种时间系统。
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建立在相对论框架下的时间系统③
• 地心坐标时TCG和太阳系质心坐标时TCB
地心坐标时TCG是远点位于地心的天球坐标系中所使用的 第四维坐标：时间坐标。它是把TDT从大地水准面上通过 相对论转换到地心时的类时变量。 太阳质心时TCB是太阳系质心天球坐标中的第四维坐标。 它是用于计算行星绕日运动的运动方程中的时间变量，也 是编制行星星表时的独立变量。
• 章动模型
IAU 1980模型和IAU2000模型
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章动②
• 日、月章动
• 行星章动
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ห้องสมุดไป่ตู้ 章动③
• 章动改正
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天球坐标系①
• 概念
天球坐标系是用以描述自然天体和人造天体在空间的位置 或方向的一种坐标系。依据所选用的坐标原点的不同可分 为站心天球坐标系、地心天球坐标系和太阳系质心天球坐 标系等。
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协议地球坐标系①
•
ITRS
坐标原点位于包括海洋和大气层在内的整个地球的质量 中心； 尺度为广义相对论意义下的局部地球框架内的尺度； 坐标轴的指向是由BIH 1984.0来确定的； 坐标轴指向随时间的变化应满足“地壳无整体旋转”这 一条件。
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岁差与章动
四、协议天球坐标系
1）瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴指向瞬时春分点 （真春分点）。
2）平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向平春分点。 3）协议天球坐标系
1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天 极，z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，x轴 指向协议春分点。 4）三者间的转换：
第四节 地球坐标系的其他表达形式
一、参心坐标系
坐标原点在参考椭圆体中心而不在地球质心
二、站心坐标系 三、平面直角坐标系
高斯投影与横轴墨卡托投影
高斯投影时，中央子午线长度不变，离中央子午线愈远，长度变形愈 大，对于6°带，赤道与边界子午线交点处的投影变形为0.138%。
在投影带宽度不变的情况下，采用横轴墨卡托投影，使中央子午线长 度缩短为原长度的0.9996倍（通用横轴墨卡托），以减小长度变形的绝对 值。
的夹角 赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道
地心 δ
面的夹角
春分点
向径r ：天体到地心的距离
x
y
α
Y
X
天球坐标系
3）空间直角坐标系与球面坐标系的转换
x cos cos
y r cos sin
z sin
r x2 y2 z2
arctan y
x
arctan
z
x2
y2
卫星位置用天球坐标系的坐标表示，而测站点位置用地球坐标系的坐 标表示，要用卫星坐标求测站坐标，需将天球坐标系的坐标转换成地球 坐标系的坐标。
转换的步骤是： 协议天球坐标系——平天球坐标系——瞬时天球坐标系——瞬时地球坐标
系——协议地球坐标系。 在转换过程中，因两者的坐标原点一致，故只需多次旋转坐标轴即可。
第二章 坐标系统和时间系统资料PPT课件
§ 2-1、地球的运转
2、章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕
瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约 为9.2″，周期约为18.6年。这种现象称为章动。 真赤道: 某一时刻的赤道.(由于岁差和章动的影响,每一时刻赤道的位置不同) 平赤道:只有岁差影响时的赤道.
黄经章动:章动引起的黄经变化.即平春分点与真春点的角距. 交角章动:章动引起的黄赤交角的变化.
地极坐标系：以CIO为原点，零子 午线方向为X轴，以零子午线以西 90°子午线为y轴。
用来描述极移规律。 平春分点：相应于平极的春分点。
§ 2-1、地球的运转
§ 2.2 时间系统
时刻：某一时间点，也就是发生某一现象的瞬间，也称历元。
时间间隔：两个时刻之间的时间差。 时间系统的要素：时间原点、度量单位（时间尺度）。
任何一个周期运动满足如下要求方可作为计量时间的方法： a.运动是连续的； b.周期有足够的稳定性； c.运动是可观测的。 在实际中有多种时间系统。
§ 2.2 时间系统
一、恒星时ST 定义：以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间
称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 恒星日：春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔。 分类：真恒星时和平恒星时。
LAST LMST GAST GMST cos GMST LMST GAST LAST GMST 1.0027379093 s UT 1 24110 .54841 S 8640184 .812866 S T 0.093104 s T 2 6.2 10 6 T 3
§ 2.2 时间系统
其中，Δψ为黄经章动，ε黄赤交角，T为标准历元J2000.0 到计算历元之间的儒略世纪数
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12.1 地球的运动从不同的角度，地球的运转可分为四类：天文学的基本概念（预备知识）–与银河系一起在宇宙中运动–在银河系内与太阳一起旋转–与其它行星一起绕太阳旋转（公转）–地球的自转（周日视运动）第二章坐标与时间系统2预备知识z 天球的基本概念所谓天球，是指以地球质心O 为中心，半径r 为任意长度的一个假想的球体。
在天文学中，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。
建立球面坐标系统，如图2－1所示.z 参考点、线、面和园图2－1 天球的概念34天轴与天极地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点P N 和P S 称为天极，其中P N 称为北天极，P S 为南天极。
天球赤道面与天球赤道通过地球质心O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。
天球赤道面与地球赤道面相重合。
该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。
天球子午面与子午圈含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面.天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。
时圈通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。
黄道地球公转的轨道面(黄道面)与天球相交的大园称为黄道。
黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。
黄极通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，称为黄极。
其中靠近北天极的交点称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。
56春分点与秋分点黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。
视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点称为春分点，用γ表示。
在天文学中和研究卫星运动时，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面赤经与赤纬地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬,春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。
7地球的公转：开普勒三大运动定律：—运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上；—在单位时间内扫过的面积相等；—运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。
8地球的自转的特征：(1) 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。
假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体（见下图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5 ″，旋转周期为26000年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空间的长周期运动。
岁差使春分点每年向西移动50.3″910月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨道与月的之间距离是不断变化的，使得月球引力产生的大小和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年，且振幅为9.21″的短周期运动。
这种现象称为章动。
考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。
考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。
(2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移） 地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。
某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为平极。
地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。
天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG)建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO (Conventional International Origin)1112国际极移服务( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用不同的方法得到地极原点。
与CIO 相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。
13(3)地球自转速度变化（日长变化） 地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小。
地球的自转速度变化，导致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。
描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向参数(EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数称为地球自转参数(ERP)，EOP 即为ERP 加上岁差和章动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站( )上得到。
14时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。
时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。
时间的特点是连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。
周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。
–运动是连续的； –运动的周期具有足够的稳定性； –运动是可观测的。
选取的物理对象不同，时间的定义不同:地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。
2.2 时间系统15•恒星时(ST) 以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间，称为恒星时。
春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔为一个恒星日，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。
地方真恒星时、平恒星时、格林尼治真恒星时、格林尼治平恒星时之间的关系：•平太阳时MT以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间，称为真太阳时。
一个真太阳日就是真太阳连续两次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。
地球绕太阳公转的速度不均匀。
近日点快、远日点慢。
真太阳日在近日点最长、远日点最短。
假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。
平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日16平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如果LAMT 表示平太阳时角，则某地的平太阳时MT = LAMT + 12 (平子夜与平正午差12小时）•世界时UT：以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时。
UT = GAMT + 12GAMT 代表格林尼治平太阳时角。
1718未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的世界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为UT2。
UT1=UT0+Δλ, UT2=UT1+ΔT•历书时ET 与力学时DT由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。
1958年第10届IAU 决定，自1960年起开始以地球公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。
历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度的1／31556925.974719在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数T,其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。
参考点不同，力学时分为两种：1) 太阳系质心力学时TDB2) 地球质心力学时TDTTDT 和TDB 可以看作是ET 分别在两个坐标系中的实现，TDT 代替了过去的ET地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度相同。
IGU 规定：1977年1月1日原子时（TAI) 0时与地球力学时严格对应为：TDT=TAI+32.18420•原子时(AT) 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。
原子时的基本单位是原子时秒，定义为：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的时间单位。
原子时的原点定义：1958年1月1日UT2的0时。
AT=UT2－0.0039(s)地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。
21•协调世界时(UTC) 原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大，秒长不等，大约每年相差1秒，便于日常使用，协调好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平太阳时之差小于0.9秒的时间系统，称之为世界协调时(UTC)。
当大于0.9秒，采用12月31日或6月30日调秒。
调秒由国际计量局来确定公布。
世界各国发布的时号均以UTC 为准。
TAI=UTC+1×n(秒）•GPS时间系统时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分。
GPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维持的原子时称为GPST，它与国际原子的原点不同，瞬时相差一常量：TAI－GPST=19(s)GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。
2223§2.3 坐标系统1、大地基准所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭球的长短半轴），以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。
测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准等。
2、大地测量坐标系天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
地球坐标系：用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式，基准和坐标系两方面要素构成了完整的坐标参考系统!2425图2－8天球坐标系图2－10 大地坐标系与空间直角坐标26273、高程参考系统以大地水准面为参照面的高程系统称为正高以似大地水准面为参照面的高程系统称为正常高； 大地水准面相对于旋转椭球面的起伏如图所示，正常高及正高与大地高有如下关系：H=H 正常+ζH=H 正高+N 大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段确定的固定在地面上的控制网(点)所构建坐标参考架、高程参考框架、重力参考框架。
国家平面控制网是全国进行测量工作的平面位置的参考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。
目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共154348个。
国家高程控制网是全国进行测量工作的高程参考框架，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度为4166191公里。
2829国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用的2000国家重力基本网包括21个重力基准点和126个重力基本点。
“2000国家GPS 控制网”由国家测绘局布设的高精度GPS A 、B 级网，总参布设的GPS 一、二级网，地震局、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成，该控制网整合了上述三个大型的有重要影响力的GPS 观测网的成果，共2609个点，通过联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的地心坐标系统的基础框架.30 椭球定位和定向概念•椭球的类型:参考椭球:具有确定参数(长半径a和扁率α)，经过局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球.总地球椭球:除了满足地心定位和双平行条件外，在确定椭球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球. •椭球定位:是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定位和地心定位。